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Goujon pour élément de coupe de trépan de forage.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION.
Domaine de l'invention.
La présente invention concerne de manière générale des trépans rotatifs à éléments de coupe fixes pour le forage dans le sol et, plus particulièrement, des perfectionnements de la conception du trépan. spécifiquement, cette invention concerne la conception d'éléments porteurs de type goujon insérés dans le corps d'un trépan de forage pour supporter les éléments de coupe fixés sur les éléments porteurs.
Etat de la technique.
Des trépans rotatifs à éléments de coupe fixes pour des forages souterrains sont employés depuis des décennies. Fixé au bas d'un train de tiges de forage rotatif, un trépan taille, tranche ou rabote la formation terrestre devant lui, les débris ou déblais de formation remontant vers la surface dans une colonne annulaire de fluide de forage ou de"boue"entourant le train de tiges de forage. La boue est typiquement injectée par l'intermédiaire d'ajutages dans la face du trépan pour refroidir et nettoyer les surfaces de coupe d'éléments de coupe sur la face du trépan et pour évacuer les débris en les faisant remonter le long de l'espace annulaire du puits.
Le corps du trépan est typiquement en acier ou en une matrice de carbure de tungstène, le premier type étant généralement forgé ou coulé tandis que la métallurgie de matrices métalliques en poudre à infiltration de liquide est généralement employée dans l'autre type. L'usinage de finition de l'un ou de l'autre type de corps de trépan peut être effectué par différents procédés connus de l'état de la technique, comme le durcissement superficiel de la face du trépan, en fonction des propriétés matérielles du corps.
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Des inserts appelés goujons sont fixés au corps du trépan. Les goujons comprennent un élément porteur et un élément de coupe. La fonction de l'élément porteur est structurelle et la fonction de l'élément de coupe est de tailler, trancher ou raboter le matériau de la formation terrestre forée par le trépan. Les éléments porteurs sont fixés par des joints à ajustement serré, des filets de vis, des soudures, des brasures ou d'autres moyens dans des ouvertures prévues à cet effet dans la face du corps du trépan. Des contreforts sur le corps du trépan soutiennent souvent les éléments porteurs pour accroître le support.
Les goujons font alors saillie en rangées ou en ensembles arqués s'étendant depuis la région proche du centre, radialement sur toute la face du corps du trépan vers la partie de calibrage et habituellement sur une certaine distance axiale, de nombreux trépans ayant des profils coniques ou paraboliques. Les éléments de coupe, habituellement brasés aux éléments porteurs, sont typiquement des diamants polycristallins compacts (PDC) (parfois appelés préformes) composés d'une face de coupe de diamant soudée pendant la fabrication à une couche de carbure de tungstène.
Etat de la technique.
Les brevets U. S. 4 199 035 ; 4 200 159 ; 4 350 215 ; 4 351 401 ; 4 382 477 ; 4 398 952 ; 4 484 644 ; 4 498 549 ; 4 505 342 ; 4 593 777 ; 4 705 122 ; 4 714 120 ; 4 718 505 ; 4 749 052 ; 4 877 096 et 4 884 477 concernent les configurations, la fabrication, les applications et les considérations fondamentales relatives aux trépans composites. Les brevets précités sont intégrés à titre de référence pour leurs renseignements concernant les éléments de coupe, les éléments porteurs et les trépans composites les mettant en oeuvre.
Le brevet U. S. 4 199 035 (Thompson, 1980) décrit un procédé pour fixer un goujon par vissage dans un corps de trépan. Le brevet traite de la construction d'une masse
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compacte ou d'un conglomérat de particules abrasives ou de cristaux soudés ensemble soit par liaison mutuelle, soit par liaison au moyen d'un milieu disposé entre les cristaux, soit par une quelconque combinaison de ces deux procédés. En remarquant la grande variété de charges dynamiques auxquelles les éléments de coupe sont exposés pendant le forage, le brevet souligne l'importance de la réparation d'éléments de coupe individuels dans un trépan. Le brevet souligne les difficultés de réparer des éléments de coupe fixés à demeure.
Le brevet U. S. 4 200 159 (Peschel et al., 1980) décrit la technique de fabrication d'éléments porteurs sur lesquels des éléments de coupe sont montés séparément du corps du trépan. Le brevet expose également la difficulté de former les matériaux de diamant in situ avec le corps du trépan en raison de la dégradation du diamant d'origine thermique et de la difficulté de remplacer les éléments de coupe cassés, ce qui justifie la nécessité d'un trépan de type à goujons.
Le brevet U. S. 4 350 215 (Radtke, 1982) décrit la fabrication de trépans de forage comprenant la formation d'un corps de trépan avec des alvéoles dans lesquelles les éléments de coupe sont brasés.
Le brevet U. S. 4 351 401 (Fielder, 1982) décrit un trépan à lames composite utilisant des éléments de coupe à préforme en diamant fixés sur des goujons positionnés dans des alvéoles dans la face du trépan. Le brevet expose l'avantage d'éléments de coupe disposés sur des goujons dans la face du trépan pour maintenir une compression sur les éléments de coupe au lieu d'une tension due aux forces de flexion. Ceci souligne l'importance d'éviter la flexion étant donné que des matériaux de faible ténacité peuvent subir une défaillance brutale sous traction. De même, le brevet expose l'importance de pouvoir remplacer une seule préforme qui a été endommagée plutôt que de devoir récupérer le trépan complet.
Autrement dit, il est beaucoup plus
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économique de récupérer un trépan en réparant une préforme, un goujon, etc., endommagé plutôt que de devoir détruire le trépan pour récupérer toutes les préformes réutilisables.
Le brevet U. S. 4 382 477 (Barr, 1983) propose l'utilisation d'éléments de coupe à"préforme"réalisés avec une couche diamantée sur une couche de support en carbure de tungstène qui est montée sur un élément de support fixé sur un trépan de forage. Le brevet commente en détail la variété de contraintes subies par la préforme et l'importance de relâcher les différentes contraintes. Parmi les difficultés, il faut noter la friction accrue sur la formation en raison de la présence d'un matériau de support sous-jacent durci derrière la préforme. De même, la chaleur qui en résulte affaiblit la brasure.
Le point peut-être le plus important ici est le fait que le brevet'477 décrit la déformation que doit subir la préforme en raison de la déformation de l'élément de support sous-jacent et souligne la nécessité de l'élasticité des éléments de coupe.
Le brevet U. S. 4 398 952 (Drake, 1983) décrit un procédé de formation de trépans à éléments de coupe à rouleaux. Le procédé implique l'amenée d'un premier mélange de poudre comprenant essentiellement un matériau réfractaire avec une proportion mineure de métal liant. Une deuxième poudre comprend un métal liant en poudre avec le matériau réfractaire en poudre dans une proportion inférieure à celle de la première poudre. Le procédé prévoit le mélange des poudres dans différentes proportions en commençant par une majeure partie de la première poudre (qui donne un matériau plus dur) pour terminer dans la région la plus interne d'un moule avec une composition de 100% environ de la deuxième poudre. Il en résulte un gradient dans la composition des éléments de coupe à rouleaux une fois que le moule rempli du mélange en poudre est fritté.
Le brevet U. S. 4 484 644 (Cook et al., 1984) décrit une technique de métallurgie des poudres dans la fabrication de pièces forgées en acier et en carbure de
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tungstène avec une densité de 100% et possédant un gradient de dureté sur toute leur longueur. Les objets ainsi formés peuvent servir d'inserts ou de goujons dans des trépans de forage de roche.
Le brevet U. S. 4 498 549 (Jürgens, 1985) propose des structures de coupe de trépans de forage comprenant des segments de PDC liés avec des intervalles adjacents aux éléments porteurs.
Le brevet U. S. 4 505 342 (Barr et al., 1985) décrit des trépans de forage de puits du type à lames. Le brevet commente l'utilisation de PDC fixés sur des goujons insérés dans un corps de trépan pour former un trépan. Le brevet décrit également les difficultés de refroidissement, d'intégrité et le fissurage ainsi que le cisaillement des goujons de même que la nécessité de l'élasticité du corps du trépan.
Le brevet U. S. 4 593 777 (Barr, 1986) décrit en détail l'importance de l'orientation de la face de coupe d'un trépan de forage par rapport à la formation qui doit être forée. Le brevet décrit abondamment l'importance de l'angle de coupe, soit l'angle formé par le bord de coupe et la formation pour atteindre un taux de pénétration dans différents types de formations. Le brevet expose également certains des compromis entre le taux de pénétration maximal dans les formations tendres et l'usure maximale dans les formations dures sans devoir extraire le train de tiges de forage du trou afin de remplacer les trépans de forage. Le brevet commente également les compromis dans les propriétés de matériau entre les différents composants d'un trépan de forage utilisant des éléments de coupe de type goujon.
Le brevet U. S. 4 705 122 (Wardley et al., 1987) décrit un élément de coupe à préforme comprenant une tablette circulaire possédant une face en diamants polycristallins liée à une couche de support en carbure de tungstène montée sur un goujon inséré dans un corps de trépan. Le goujon est essentiellement cylindrique. Cette
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géométrie classique est fréquente dans l'industrie. Néanmoins, le brevet souligne la nécessité d'une orientation appropriée de la face de coupe de l'élément de coupe et la nécessité d'une région ouverte devant la face de coupe pour évacuer les débris. En outre, il souligne la nécessité d'un support dans le goujon pour les charges dynamiques appliquées à l'élément de coupe et à la surface du goujon.
Le brevet U. S. 4 714 120 (King, 1987) propose un agencement permettant d'implanter des éléments de coupe par paires le long de la couronne d'un corps de trépan de type composite pour rendre les éléments de coupe moins sujets à une défaillance importante par cisaillement.
Le brevet U. S. 4 718 505 (Fuller, 1988) propose un élément abrasif qui suit un élément de coupe dans un trépan composite utilisant des goujons, en cas de défaillance d'un goujon. Le brevet souligne la nécessité de maintenir une certaine capacité de coupe en cas de défaillance ou d'usure excessive du bord de coupe principal d'un élément de coupe fixé sur un élément porteur (goujon).
Le brevet U. S. 4 749 052 (Dennis, 1988) décrit le placement de goujons de section transversale circulaire dans des alvéoles dans la face d'un trépan de forage pour les fixer par ajustage serré ou par brasage.
Le brevet U. S. 4 877 096 (Tibbitts, 1989) décrit un élément de coupe à goujon remplaçable à utiliser dans des trépans à lames composites. Le brevet commente la pratique de l'état de la technique consistant à détruire tout le corps de trépan lorsque les éléments de coupe sont usés afin de récupérer des éléments de coupe diamantés en vue de leur réutilisation sur d'autres trépans. De même, étant donné que certains éléments de coupe sur un trépan risquent d'être endommagés tandis que d'autres sont réutilisables, le brevet '096 envisage la solution du remplacement des éléments de coupe pour augmenter la durée de vie d'un trépan.
Le brevet U. S. 4 884 477 (Smith et al., 1989) décrit la construction d'un trépan de forage rotatif du type
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à matrice métallique composé d'éléments de coupe fixés sur sa surface extérieure. Le brevet décrit la fourniture d'un trépan de forage rotatif dont au moins une certaine partie de la construction de la matrice métallique est en carbure de tungstène. La fourniture d'un matériau de charge de substitution en mélange avec le carbure de tungstène améliore la ténacité du trépan. Une technique consistant dans le duricissement superficiel de tels trépans plus tenaces en vue d'une meilleure résistance à l'abrasion et à l'érosion est également exposée.
Des éléments porteurs du type goujon sont généralement en matériaux plus durs et plus résistants que le corps du trépan et peuvent résister à l'abrasion due à la formation et aux débris qu'elle entraîne et ainsi qu'à l'érosion due à la boue de forage chargée de matières solides. Les matériaux plus durs ont souvent une ténacité moindre, mais une résistance élevée et supportent dès lors des contraintes élevées tant que leur intégrité de surface subsiste. Autrement dit, même pour les matériaux résistants, une faible ténacité peut amener les fractures à progresser rapidement à travers un élément une fois que les surfaces externes extrêmes sont endommagées par de minuscules fissures.
Néanmoins, la résistance finale d'un matériau de ténacité élevée est typiquement atteinte après une absorption d'énergie substantielle par déformation plastique. En revanche un matériau de faible ténacité, atteint typiquement sa résistance finale après seulement une faible absorption d'énergie par déformation plastique. Il s'ensuit qu'un matériau de faible ténacité peut être très résistant et fonctionnel tant qu'il dure, mais ne peut faire face aux défauts.
Un autre facteur fondamental dans l'utilisation d'un matériau dur de faible ténacité réside dans la présence d'imperfections de surface qui entraînent des concentrations de contraintes. Le verre illustre ce phénomène. Le verre
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exempt d'inclusions et d'imperfections de surface est résistant et supporte des charges substantielles, même en flexion. Néanmoins, lorsque le verre est exposé à l'atmosphère, les impuretés véhiculées par l'air attaquent le verre provoquant des imperfections ou des fissures microscopiques dans sa surface. Etant donné que le verre ne se donne pas, les contraintes résultantes dans la surface du verre tendent à se concentrer dans la minuscule région située au bord d'attaque des fissures.
Une telle contrainte, si elle n'est pas atténuée sur une surface plus large par une flexion locale du matériau, maintient les concentrations de contraintes au niveau du bord d'attaque de chacune des imperfections de surface, même lorsque chaque fissure progresse en réaction. La région autour du bout de la fissure se fracture au lieu de s'étendre, appliquant la concentration de contraintes au niveau de la nouvelle position de ce bout. Avec l'application d'une contrainte supplémentaire ou de contraintes répétées, l'imperfection progresse complètement à travers le matériau, parfois très rapidement, en entraînant finalement la fracture (rupture) de toute la section transversale du matériau.
D'autres matériaux de faible ténacité se comportent de la même façon. Sans une quelconque capacité de céder localement autour des fissures, la rupture totale d'une section du matériau peut se produire rapidement. Etant donné la nature rugueuse, coupante, abrasive et érosive de l'environnement de forage, des défauts superficiels dans des matériaux de faible ténacité peuvent créer des concentrations de contraintes dans les goujons formés de tels matériaux, ces concentrations de contraintes entraînant finalement la fracture des goujons. Aussi, à moins de posséder une ténacité élevée, un goujon dur qui réduit les effets de l'abrasion sera plus sujet aux fractures.
Un matériau plus tenace, moins sujet aux graves fractures, sera plus sujet à l'abrasion et à l'érosion. si un goujon est abrasé ou érodé, cassé de sa position brasée dans le corps
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du trépan ou fracturé, il devient tout aussi inutile.
La taille d'une formation terrestre par un trépan de forage est en fait affectée par l'action des éléments de coupe qui sont montés sur les faces des extrémités libres des éléments porteurs fixés dans le corps du trépan. Les éléments de coupe sont généralement en un matériau superdur tel que le diamant synthétique, qualifié précédemment de masse compacte de diamant polycristallin ou PDC bien que d'autres matériaux tels que le nitrure de bore cubique soient également employés. Les masses compactes de diamant polycristallin (PDC) sont des éléments de coupe possédant un substrat en carbure de tungstène sur lequel est formée une face de diamant avec un métal catalyseur par application d'une chaleur et d'une pression extrêmes.
Les contraintes résultantes dans un goujon pendant le fonctionnement d'un trépan de forage peuvent comprendre, individuellement ou en combinaison, la flexion, le cisaillement, la traction et la compression causés par la formation terrestre résistant aux mouvements du goujon au niveau de son extrémité (libre) de coupe tandis que le corps du trépan entraine l'autre extrémité (fixe) vers l'avant axialement et tangentiellement par rapport à la direction de l'avance du trépan de forage. Les contraintes se produisent à différents endroits et à différents degrés.
En outre, l'importance d'une contrainte varie en fonction de son type et de son emplacement.
Par ailleurs, les contraintes de traction dues à la flexion d'un élément porteur cylindrique inséré axialement lorsqu'il supporte l'élément de coupe transversalement peuvent être très importantes. Cette force peut être également exacerbée par la concentration de contraintes au point de contact entre l'élément porteur et le corps du trépan.
En outre, comme expliqué précédemment, tout matériau de ténacité relativement faible, y compris certains carbures de tungstène (WC) seront relativement peu
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élastiques sous traction. Cette caractéristique donne un composant de faible ténacité qui casse lorsqu'il atteint sa limite de contrainte. Néanmoins, ce niveau de contrainte est plus facilement atteint en présence de concentrations de contraintes provenant d'une variation de la section transversale du matériau au niveau du point de pénétration dans le corps du trépan, à une quelconque discontinuité de contrainte ou à un défaut du matériau tel qu'une petite fissure ou un cran. Comme expliqué précédemment, de telles concentrations de contraintes favorisent la propagation des fissures.
En revanche, les matériaux présentant une ténacité à la fracture relativement élevée tels que certains aciers, les carbures de tungstène à forte teneur en cobalt ou les carbures de tungstène à grains de diamètre élevé, se donnent localement sous contrainte suffisante, relâchant la contrainte sur une région et interrompant, par conséquent, la propagation d'une fissure. L'inertie importante et l'apport d'énergie élevé d'un train de tiges de forage peuvent entraîner des charges dynamiques très élevées. Une charge dynamique très élevée de très courte durée peut provoquer une fracture. Ainsi, un défaut de surface ne doit pas être substantiel ni exister depuis longtemps pour se propager. Bien que des fissures puissent se propager lentement à travers une section avec le temps, elles peuvent également se propager instantanément.
Des matériaux de ténacité inférieure ont tendance à céder avec une propagation plus rapide des fissures. Dans un tel matériau, la fissure risque de se propager rapidement en une défaillance catastrophique sous contrainte élevée, comme l'impose souvent une charge dynamique.
En flexion, la contrainte maximale dans une section symétrique autour de son axe neutre (typiquement, le plan médian perpendiculaire à la force appliquée) se situe sur la fibre externe extrême. La fibre externe extrême se trouve sur la face extérieure à une distance maximale de
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l'axe neutre. Dans un goujon de forme cylindrique s'étendant en porte-à-faux à partir d'une pénétration à ajustement serré dans un corps de trépan par exemple, les forces de flexion imposées par la face de coupe à l'extrémité libre appliquent une traction maximale à la surface du goujon du côté où la force est appliquée. Une compression maximale se produit sur la face diamétralement opposée, à l'endroit où le goujon pénètre dans le corps du trépan.
Un goujon fréquemment employé est une tige cylindrique pour faciliter la fabrication et le montage d'un nombre maximal de goujons sur la surface d'un petit corps de trépan. Les matériaux de goujons les plus résistants de ténacité maximale (d'un bon rapport qualité-prix) sont souhaitables. Néanmoins, des matériaux présentant une résistance à l'érosion et à l'usure relativement élevée, mais une faible ténacité sont typiquement utilisés. Le goujon doit s'étendre sur la distance maximale possible depuis la surface du corps du trépan pour laisser de la place pour le passage des débris afin d'empêcher un bouchage ou un"bourrage"du trépan. Cette configuration, néanmoins, crée une contrainte de flexion maximale. Naturellement, le bord de coupe doit se trouver à l'extrémité la plus distante du goujon pour entrer en contact avec la formation.
Les formats et les espacements des éléments de coupe préférés doivent en fait être pondérés en fonction des propriétés des matériaux disponibles. Ainsi, différentes formes et configurations seront en réalité obtenues puisque chaque facteur de limitation est incorporé dans une conception.
Néanmoins, les choix à faire ne sont pas toujours évidents, même avec des paramètres idéalisés.
Un matériau qui réduit au minimum l'abrasion peut présenter une faible ténacité et est donc susceptible de concentrations de contraintes, de fissures par corrosion sous contrainte et de propagation rapide des fissures qui minent son intégrité structurelle. Un matériau qui peut résister à une telle fracture grâce à sa ténacité peut être
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facilement abrasé.
Des sources de contraintes de travail réduites comprennent l'ajustement serré d'un goujon dans une ouverture dans un corps de trépan de forage. Même sans ajustage serré, par exemple, si les goujons sont brasés dans des orifices dans la face du trépan, la disparité des coefficients de dilatation thermique de métaux différents (goujon et corps du trépan) introduit des contraintes résiduelles après le processus de brasage lorsque le trépan de forage refroidit.
Au moment de la pénétration du goujon dans le corps de trépan, il se produit une modification de la section transversale effective sur laquelle la contrainte est répartie. Cette modification de section transversale entraîne un effet de concentration de contraintes. Ces deux effets peuvent réduire la charge de travail maximale autorisée. La contrainte résiduelle de montage et la force contraignante imposée par le corps de trépan peuvent également augmenter localement la contrainte horizontale dans le goujon.
Les contraintes de compression dans le goujon ont également tendance à réduire la contrainte de traction maximale que le goujon peut normalement supporter. Ainsi, la charge de flexion tolérable d'un goujon en porte-à-faux est réduite lorsque la contrainte de compression est appliquée, comme par exemple par un montage à ajustement serré.
Les caractéristiques d'usure des éléments de coupe peuvent dicter et dictent souvent la durée de vie d'un trépan de forage. Des coûts importants sont encourrus si les éléments de coupe s'usent prématurément au fond d'un trou de forage à plusieurs milliers de pieds de profondeur, le coût du trépan lui-même n'étant qu'une petite fraction des frais de manoeuvre et de main-d'oeuvre impliqués dans la remontée et le remplacement du trépan dans de telles circonstances.
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La fracture mécanique même d'un seul goujon peut encore être plus catastrophique, étant donné qu'un tel incident peut interrompre la progression du trépan de forage en l'empêchant de tailler sa part de formation. Le remplacement du trépan est nécessaire lorsqu'un élément de coupe manquant laisse un cylindre ou une bande annulaire non taillée sur la formation que le trépan doit alors franchir. Ainsi, si un goujon casse pour une quelconque raison, le trépan peut finalement interrompre la taille et simplement franchir la formation non taillée même si tous les autres éléments de coupe restent intacts et tout à fait fonctionnels. Une telle défaillance entraîne un remplacement du trépan exigeant une manoeuvre de remontée et de descente dans le trou.
Une solution au problème qui n'a pas encore été abordé à ce jour par l'état de la technique consiste à fabriquer des goujons tenaces possédant une surface dure.
Afin de créer un tel goujon possédant une ténacité maximale à la fracture avec une dureté maximale de la surface, une structure composite présentant différentes caractéristiques dans sa section transversale est souhaitable. En outre, des moyens pour réduire les concentrations de contraintes dues à la charge ou aux défauts du matériau sont aussi nécessaires.
RESUME DE L'INVENTION.
La présente invention comprend une structure de goujon composite possédant différentes caractéristiques matérielles dans sa section transversale structurelle pour fournir la résistance à l'abrasion de matériaux durs combinée avec la résistance à la fracture, appelée ténacité à la fracture. L'invention comprend une structure de goujon dans laquelle les surfaces externes constituent une quantité de matériau suffisamment dur ou durci pour résister à l'abrasion et à l'érosion, combinée avec une partie
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adjacente possédant des propriétés matérielles plus tenaces. Le matériau tenace résiste à la propagation de fissures en surface dans le corps du goujon. De même, le matériau tenace assure une élasticité générale, si nécessaire, et est plus résistant à la fracture du goujon.
D'autres formes de réalisation de l'invention se basent sur des changements de géométrie ou une précontrainte pour améliorer la résistance à la fracture. Ces formes de réalisation comprennent des goujons composés de plusieurs matériaux possédant différentes ténacités à la fracture et des goujons composés d'un matériau homogène possédant une seule valeur de ténacité à la fracture.
Plusieurs autres phénomènes contribuant à la rupture des goujons peuvent être améliorés par l'invention.
Tout d'abord, en augmentant la ténacité pour permettre une élasticité localisée sans fracture, de sorte que les contraintes puissent être distribuées plus uniformément sur toute la section transversale d'un goujon, le niveau de contrainte au niveau de la fibre extérieure est réduit. En outre, la capacité de contrainte de travail peut être accrue en éliminant les charges compressives imposées par les joints à ajustement serré. En troisième lieu, le facteur de concentration de contraintes dû à une discontinuité dans les matériaux ou les propriétés des matériaux à l'endroit du goujon où il pénètre dans la surface du corps du trépan, est réduit ou éliminé par plusieurs des formes réalisation de l'invention. En quatrième lieu, la précontrainte d'un goujon peut modifier la distribution de la contrainte tout en préchargeant des parties du goujon.
Une fois chargée en compression, la surface externe d'un goujon peut supporter essentiellement une charge de traction sensiblement supérieure avant d'atteindre les limites de sa contrainte de traction.
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BREVE DESCRIPTION DES FIGURES.
La Fig. 1 est une vue en perspective d'un schéma de montage classique d'un goujon ; la Fig. 2 est une vue latérale d'une coupe d'un goujon installé dans un corps de trépan de forage ; la Fig. 3 est une perspective découpée d'une forme de réalisation préférée de la conception d'un goujon selon l'invention ; la Fig. 4 est une vue en coupe latérale du goujon de la Fig. 3 ; la Fig. 5A est une vue en coupe d'un goujon multicouche comprenant des couches échelonnées de matériau de ténacité maximale à proximité du centre et de dureté maximale à proximité de la surface externe ; la Fig. 5B est une vue latérale d'une coupe du goujon de la Fig. 5A présentant des propriétés de matériau échelonnées avec une ténacité maximale au centre et une dureté maximale à la surface externe ;
la Fig. 6 est une vue latérale d'une coupe d'un goujon dans lequel le matériau du noyau possède un coefficient de dilatation thermique supérieur et le matériau de l'enveloppe externe possède un coefficient de dilatation thermique inférieur pour créer une tension dans le noyau et une compression dans l'enveloppe lors du refroidissement d'un goujon nouvellement fabriqué ; la Fig. 7 est une vue latérale d'une coupe d'un type de goujon dans lequel la surface externe du goujon est traitée avec des ions implantés pour créer une couche superficielle résistant à l'abrasion précontrainte en compression par des atomes surdimensionnés dans une structure atomiquement désordonnée ;
la Fig. 8 est une vue latérale d'un type de goujon dans lequel la surface externe du goujon a été meulée dans une direction parallèle à l'axe du goujon afin de réduire les concentrations de contraintes dues à des défauts
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de surface inadéquatement orientés ; la Fig. 9 est une vue en perspective d'un goujon installé dans un corps de trépan pour exposer la partie frontale de la base du goujon ; la Fig. 10 est une vue en perspective d'un goujon installé dans un corps de trépan dans lequel la partie frontale de la base du goujon est plate ; la Fig. 11 est une vue en perspective du goujon installé dans un corps de trépan dans lequel la base du goujon est rectangulaire en coupe transversale ;
la Fig. 12 est une vue en perspective d'un type de goujon dans lequel la base du goujon possède une section transversale rectangulaire pénétrée de rainures qui servent à aligner la base du goujon dans le corps du trépan et reçoivent une aire de brasure accrue ; la Fig. 13A est une vue en perspective d'un goujon autoporteur possédant une base rectangulaire profonde ; la Fig. 13B est une vue en perspective d'un goujon autoporteur présentant une section transversale frontale trapézoïdale pour une densité maximale des éléments de coupe dans la couronne incurvée d'un corps de trépan ;
la Fig. 13C est une vue en perspective d'un goujon possédant une base dont la section transversale frontale ressemble à un cylindre se fondant dans une forme trapézoïdale autoporteuse offrant une aire de cisaillement importante pour le brasage et pourtant capable de recevoir des masses compactes de diamant polycristallin circulaires ; la Fig. 13D est une vue en élévation de côté du goujon de la Fig. 13A par rapport à un goujon classique représenté en traits interrompus ; la Fig. 13E est une perspective d'un goujon de section transversale trapézoïdale ; la Fig. 14 est une vue en perspective d'un goujon autoporteur comportant une base de section transversale elliptique et une aire frontale exposée plane ;
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la Fig. 15 est une vue en perspective d'un goujon autoporteur composé d'un matériau intérieur tenace intercalé entre des matériaux durs sur les faces extérieures d'une base rectangulaire ; la Fig. 16 est une vue latérale d'une coupe d'une base de goujon possédant un noyau tenace placé excentriquement vers l'avant de la base de goujon en un matériau plus dur ; la Fig. 17 est une vue du dessus de la section transversale de la base du goujon de la Fig. 16 ; la Fig. 18 est une vue latérale d'une coupe d'une base rectangulaire du goujon ; la Fig. 19 est une vue du dessus de la section transversale de la base de goujon de la Fig. 18 montrant le noyau intérieur en un matériau tenace protégé par les couches résistant à l'abrasion en matériau dur ;
la Fig. 20 est une vue latérale d'une coupe d'un goujon placé dans un corps de trépan présentant un creux arrondi important à l'avant de la base de goujon en vue de réduire les concentrations de contraintes et d'assurer l'évacuation des débris ; la Fig. 21 est une vue en perspective d'une base cylindrique de goujon avec une extrémité hémisphérique pour une meilleure assise de retenue dans le corps de trépan en cas de charge de moment et une région frontale exposée non entourée par la couronne sur le corps du trépan ; la Fig. 22 est une vue en perspective d'une base de goujon rectangulaire possédant un rapport profondeur/largeur relativement important et une région frontale ouverte non entourée par la couronne du corps du trépan ;
la Fig. 23 est une vue en perspective d'une base de goujon similaire à celle de la Fig. 21 avec une extrémité sphérique pour empêcher le délogement sous l'effet du couple induit en fonctionnement et une partie frontale ouverte pour réduire les concentrations de contraintes et permettre
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l'enlèvement de la brasure afin que des goujons remplaçables puissent être extraits du corps de trépan ; la Fig. 24 est une vue en perspective d'un corps rectangulaire en forme de contrefort, soutenant une face de coupe rectangulaire et présentant une aire frontale exposée ; la Fig. 25 est une vue en perspective d'une base de goujon similaire à celle des Fig. 21 et 23 présentant une extrémité conique pour fixer la base de goujon dans la couronne du corps de trépan ;
la Fig. 26 est une vue en perspective d'une extrémité d'une base de goujon présentant une section transversale rectangulaire dont un coin a été tronqué pour une meilleure fixation à la couronne du corps de trépan ; la Fig. 27 est une vue en perspective d'un segment prélevé d'un goujon de section transversale cylindrique comportant des fils précontraints formant des tiges noyées dans une matrice, et la Fig. 28 est une vue en perspective d'un segment prélevé d'un goujon de section transversale rectangulaire comportant des fils précontraints formant des tiges noyées dans une matrice.
DESCRIPTION DETAILLEE DES FORMES DE REALISATION PREFEREES.
Sur les Fig. 1 et 2, est représenté un procédé de fixation classique des éléments de coupe au moyen duquel un goujon tel qu'un goujon 10 conforme à l'invention est fixé au corps de trépan 28 par un procédé qui peut donner lieu à des contraintes résiduelles. Autrement dit, en cas d'ajustage serré ou de retrait thermique utilisé par certains fabricants ou de refroidissement de matériaux différents après brasage, le goujon 10 peut présenter un diamètre de goujon 42 supérieur au diamètre 44 de la cavité 32 lorsque le matériau du corps du trépan se présente à l'état sans contrainte ou relâché. La contrainte de compression résultante dans la direction 46 se développe
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dans le goujon 10, tandis qu'une contrainte de traction se produit dans la direction 48 à l'intérieur du corps du trépan 28.
Pour réduire ces contraintes au minimum, le diamètre de goujon 42 est de préférence inférieur au diamètre de cavité 44 et le goujon 10 est fixé par adhésif ou brasure. Le couple de flexion imposé sur le goujon 10 par la formation pendant le forage soumet à une traction maximale la fibre externe extrême de la région frontale 52 de la base de goujon 54. La présence d'un contrefort 34 soutenant le goujon 10 réduit la contrainte due à la flexion.
Le procédé d'installation du goujon employé pour l'invention n'est pas limité aux formes de réalisation décrites. Certaines contraintes de flexion seront imposées sur le goujon 10 quelle que soit sa méthode de fixation au corps de trépan 28, notamment la traction dans la région frontale 52 de la base de goujon 54. La région postérieure 56, diamétralement opposée à la région frontale 52, subit une compression axiale due à la même charge de flexion appliquée perpendiculairement à la face de coupe 22.
Si la base de goujon 54 est faite d'un matériau monolithique de dureté suffisante pour résister à l'abrasion, la contrainte de traction axiale induite dans la région frontale 52 de la base de goujon 54 intensifiera la propagation de fissures à travers la section transversale de la base de goujon 54. Même dans une construction préférée, où une brasure fixe la base de goujon 54 en lieu et place d'un ajustage serré, les discontinuités de contraintes à l'interface où la base de goujon 54 pénètre dans le corps de trépan 28 peuvent exacerber la fracture de goujons sous des charges dynamiques.
Les effets structurels sont multiples lorsque la formation terrestre à attaquer exerce des forces sur le bord de coupe 58 de la face de coupe 22. Outre la compression générale du goujon 10 contre le contrefort 34, l'étendue 62 du bord de coupe 58 au-dessus de la surface du corps de
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trépan 64 permet aux débris issus du processus de coupe d'être évacués par le fluide de forage lorsque ce dernier nettoie et refroidit le bord de coupe 58 et, plus généralement, la face de coupe 22. L'étendue 62 crée également un bras de levier pour la flexion du goujon 10, créant la force de traction dans la région frontale 52 comme décrit plus haut.
Néanmoins, un joint à ajustement serré entre la cavité 32 et la base de goujon 54 crée une force de compression dirigée radialement vers l'intérieur sur la région frontale 52 qui diminue ainsi la traction axiale maximale autorisée dans la région frontale 52.
Une discontinuité de contrainte peut être provoquée non seulement par des charges inégales proches, mais également par un changement de section d'un élément chargé. La différence de section parfois très nette entre une base de goujon 54 et un corps de trépan 28 entraîne une discontinuité de contrainte dans la base de goujon 54 à l'endroit où il pénètre dans la surface du corps du trépan.
Ainsi, il faut parvenir à un compromis entre la nécessité d'une grande étendue 62 pour garder propre la face de coupe 22 et maintenir la région derrière le contrefort 34 disponible pour l'évacuation des débris depuis le corps de trépan 28 et la considération contradictoire visant à réduire au minimum l'effet de levier que la force de coupe 66 met en oeuvre pour créer la flexion dans la base de goujon 54 avec une traction résultante dans la région frontale 52 aux abords de l'étendue 62. En d'autres termes, l'étendue 62 constitue le bras de levier effectif sur lequel la composante de la force de coupe 66 en direction transversale 68 agit pour créer la force de traction en direction axiale 72 à hauteur de la région frontale 52.
En outre, la mesure dans laquelle l'étendue 62 déborde audessus du contrefort 34 peut également induire des forces de flexion et de traction dans la face de coupe 22 et la couche de support 18.
Néanmoins, le premier compromis dans la
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détermination de l'importance de la saillie doit s'établir entre la nécessité de régions nettes et sans obstacles pour évacuer les débris et guider les fluides de forage et la nécessité de réduire le couple de flexion sur la base de goujon 54.
Le goujon 10 conforme à l'invention tel qu'il est illustré sur les Fig. 3 et 4 ainsi que les variantes de réalisation des Fig. 5A et 5B résolvent certains des problèmes décrits précédemment que connaissent les goujons classiques insérés dans les corps de trépans de forage.
Sur la Fig. 3, le goujon perfectionné 10 de l'invention est représenté partiellement découpé et se compose d'un noyau interne 12 d'un matériau possédant une ténacité à la fracture supérieure ou accrue tel que l'acier, le carbure de tungstène à grain de diamètre élevé, le carbure de tungstène à forte teneur en cobalt, le carbure de tantale ou un superalliage tel que la stellite, entouré par une couche externe 14 d'un matériau dur résistant à l'abrasion. Un matériau typique est le carbure de tungstène fritté à faible teneur en cobalt. Bien que 6% de cobalt soient possibles, environ 9 à 12% de cobalt constituent la gamme préférée. En général, un matériau dur à faible teneur en liant métallique capable d'une jonction avec des matériaux de noyau devrait suffire.
La teneur en cobalt est habituellement de l'ordre de 6 à 20% dans les carbures de tungstène frittés. La forte teneur en cobalt est supérieure à environ 15%. Le diamètre des grains de carbure et la teneur en cobalt peuvent varier en vue d'une conception à résistance élevée ou d'une conception à ténacité élevée à la fracture. Le goujon 10 est, en outre, pourvu d'une surface de fixation 16 à laquelle est fixée, par brasure ou par d'autres moyens adéquats, une couche de support ou substrat 18. Une face de coupe 22 est généralement fixée à la couche de support 18.
La face de coupe 22 est habituellement fabriquée en un matériau superdur, dans le sens où ce terme est utilisé dans
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l'état de la technique, contenant du diamant polycristallin lié sous température et pression élevées à la couche de support 18 dans un procédé de fabrication séparé avant la fixation de la couche de support 18 au goujon 10 sur la surface de fixation 16. Le noyau interne 12 du goujon 10 est en un matériau possédant une ténacité relativement élevée à la fracture. Ainsi, si une imperfection surperficielle dans la surface externe 24 se propage comme une fissure dans la couche externe 14, la fissure est bloquée à l'interface 26 lorsqu'elle rencontre le noyau interne tenace 12.
Le goujon 10 peut être fixé dans le corps de trépan 28 représenté en traits interrompus sur la Fig. 1.
Le goujon 10 est logé à l'intérieur d'une cavité ou alvéole 32 formée dans le corps de trépan 28 pour recevoir le goujon 10. Le corps de trépan 28 est également pourvu typiquement d'un contrefort 34 qui agit pour réduire la flexion du goujon 10 et maintenir la couche de support 18 et le goujon 10 en compression contre le contrefort 34 lorsque la face de coupe 22 est pressée contre la formation en cours de forage. Le sommet 36 du goujon 10 est façonné pour se conformer à la forme frontale ou au diamètre de la face de coupe 22, à la couche de support 18 et au contrefort 34 pour créer un contour lisse entre eux.
Un contrefort 34 intégré au corps de trépan 28 peut se déformer, soutenant inadéquatement le goujon en flexion. Ainsi, la charge résultant de la force de coupe 66 qui devrait être partagée par le contrefort 34 et le goujon 10 peut charger exagérément le goujon 10. Un aspect de l'invention consiste à fabriquer la base de goujon 54 sous une forme autoportante (voir Fig. 12,13A, 13B, 13C et 14).
Si la contrainte dans le goujon 10 devient trop élevée, le noyau interne 12, fait d'un matériau plus tenace et à contrainte élastique typiquement inférieure cédera localement à un point de contrainte maximale, répartissant ainsi la contrainte sur une zone plus large et limitant généralement la contrainte maximale dans le goujon 10.
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Les concentrations de contraintes aggravent particulièrement la croissance des fissures. De nombreux matériaux durs présentent une faible ténacité et sont susceptibles d'une croissance rapide des fissures. L'invention réduit la croissance des fissures de deux façons. Etant donné que le noyau interne 12 possède une ténacité à la fracture élevée et une contrainte élastique plus faible, la croissance de la fissure est réduite dans tout le noyau interne. En outre, l'interface des matériaux 26 devrait avoir tendance à bloquer la croissance de la fissure au niveau de la discontinuité des matériaux. En fait, au niveau microscopique, une fracture des matériaux est une séparation d'atomes. Si le noyau interne 12 est composé d'atomes différents de ceux de la couche externe 14, il a tendance à bloquer la propagation de la fissure à l'interface.
En outre, étant donné que le noyau interne 12 est fait d'un matériau présentant une ténacité élevée à la fracture, la croissance de la fissure aura tendance à ne pas y progresser. si des couches supplémentaires possédant différentes caractéristiques de matériaux sont ajoutées dans le goujon 10, soit circonférentiellement autour de la circonférence du goujon 10, soit diamétralement à travers le goujon 10, les contraintes, la flexion élastique et une quelconque propagation de la fissure seront atténuées de manière analogue. Ainsi, si deux couches parallèles soutiennent ensemble une charge, le matériau composite possédant des couches alternées de matériaux durs et tenaces aura une résistance et une ténacité intermédiaires par rapport à ses propriétés s'il était composé d'un seul de ces matériaux.
Par conséquent, l'invention telle qu'elle est décrite peut présenter bon nombre de ces mêmes avantages dans une multiplicité de formes de réalisation.
Sur la Fig. 5A, le goujon 10 est composé d'une première couche intermédiaire 74, en un matériau légèrement plus dur que le noyau interne 12, d'une deuxième couche
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intermédiaire 76, en un matériau encore plus dur que la première couche intermédiaire 74, et de la troisième couche intermédiaire 78 d'une dureté supérieure à celle de la deuxième couche intermédiaire 76, toutes se présentant sous la couche externe 14 qui est d'une dureté maximale. Cette configuration assure une réduction maximale de la croissance des fissures grâce à ses différentes discontinuités de matériaux. Elle offre également les avantages recherchés par une réduction localisée des contraintes.
La Fig. 5A représente encore une autre forme de réalisation. Le noyau interne 12, la deuxième couche intermédiaire 76 et la couche externe 14 peuvent être faites d'un matériau dur présentant un faible coefficient de dilatation thermique. Les première et deuxième couches intermédiaires 74,78 peuvent être en un matériau de ténacité élevée ayant un coefficent élevé de dilatation thermique. Après l'assemblage et la fusion à température élevée, le matériau de ténacité élevée des première et troisième couches intermédiaires 74,78 s'est lié au matériau dur dans le noyau 12, à la couche externe 14 et à la deuxième couche intermédiaire 76.
Lors du refroidissement du goujon 10, le matériau de ténacité élevée des première et troisième couches intermédiaires 74,78 précontraint le matériau dur dans le noyau 12, la couche externe 14 et la deuxième couche intermédiaire 76. Un nombre supérieur ou inférieur de couches peut être utilisé pour assurer les avantages de cette forme de réalisation. Les facteurs essentiels du procédé sont la dureté, la ténacité et la dilatation thermique relatives des matériaux utilisés.
La Fig. 5B représente une gradation continue 82 de la dureté du goujon 10 de la Fig. 5A, en commençant par les propriétés les plus dures à la surface extérieure extrême 84 et une dureté minimale assortie d'une ténacité maximale au niveau d'un axe central 86. Cette configuration produit un continuum ou gradient de propriétés de matériau.
Elle peut être créée en disposant en couches différentes
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combinaisons de métaux en poudre, de duretés minimale et maximale souhaitées et en les frittant ou en les fondant en un seul corps à partir duquel les goujons 10 sont formés.
Ainsi, une combinaison des particules du matériau le plus dur 88 (comprenant la surface extérieure du goujon 10) parsemées en différents pourcentages dans des couches ou chemises adjacentes avec les particules 92 du matériau le plus tenace (comprenant le centre du goujon 10) est frittée ou fondue pour devenir un goujon d'une seule pièce 10 avec une gradation continue 82 de dureté de matériau.
La Fig. 6 illustre un procédé de réalisation de l'invention par précharge de la couche externe 14. Dans cette forme de réalisation, un goujon 10 est fabriqué par coulée, forgeage ou par un procédé similaire et le noyau interne 12 présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui d'une couche externe 14. Du fait de la création d'une surface de blocage de noyau 94 entre le noyau interne 12 et la couche externe 14, le retrait accru lors du refroidissement de la structure augmentant en direction du noyau interne 12 associé à un retrait sensiblement moindre dans la couche externe 14 crée une traction dans le noyau interne 12 avec une compression dans la couche externe 14.
Ainsi, la région frontale 52 subit une compression axiale 96, préchargeant essentiellement la région frontale 52 et lui permettant de supporter une charge de traction supérieure.
Semblable à l'approche de la Fig. 5B est le concept de la Fig. 7 dans lequel une région d'ions implantés 102 peut être réalisée par une combinaison d'énergie électrique et de chauffage possible de la surface 98 soit pour déplacer, soit pour durcir chimiquement les couches externes d'atomes à une certaine profondeur 104 à partir de la surface 98 du goujon 10. Le procédé d'implantation peut être effectué par bombardement ou implantation d'ions. Il s'ensuit que les atomes surdimensionnés sont noyés dans le réseau du matériau de base, plaçant le réseau en
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compression. La précontrainte par cette charge compressive permet des charges de traction supérieures dans la région frontale 52 avant que la contrainte maximale autorisée ne soit atteinte.
La Fig. 8 illustre une forme de réalisation supplémentaire qui ajoute un perfectionnement pour réduire les concentrations de contraintes. Sur la région frontale 52 de la base de goujon 54 du goujon 10, un meulage axial de la surface du goujon est effectué, de sorte que des marques de meulage orientées axialement 106 sont formées dans la surface externe 98 de la région frontale 52 au lieu des marques de meulage circonférentielles 108 qui sont formées par un mouvement de rotation classique entre la meule et le goujon 10 pendant une opération de meulage classique. L'effet résultant du meulage axial est de réorienter les traces de meulage qui pourraient sinon s'étendre dans le sens circonférentiel 112. Une telle orientation permet de réduire les concentrations de contraintes qui pourraient devenir des fissures sous des charges de flexion.
Cette construction, comme de nombreuses autres configurations, peut être utilisée avec ou sans noyau résistant à la fracture en un matériau différent de celui de la surface externe.
La Fig. 9 représente des perfectionnements supplémentaires à réaliser dans le procédé de fixation du goujon 10 en procédant à une découpe de dégagement 114 pour excaver davantage le corps de trépan 28 depuis la région frontale 52 de la base du goujon 54. Plusieurs effets avantageux augmentent ainsi la performance du goujon 10. Les débris créés par la face de coupe 22, puisqu'elle fait face à la formation agissant contre le bord de coupe 58 doivent s'écarter du bord de coupe 58 pour quitter la face de coupe 22. Le bord interne 116 de la face de coupe 22 est un site probable pour évacuer les débris, mais est encombré si la surface du corps de trépan 64 est trop proche du bord interne 116.
Par la création de la découpe de
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dégagement 114, une région d'écoulement supplémentaire est créée dans laquelle les débris peuvent être évacués.
Sur la Fig. 9, la région frontale 52 de la base de goujon 54 est exposée et plusieurs avantages peuvent en découler. L'accès est amélioré en vue d'enlever un goujon endommagé 10 d'un corps de trépan 28. De même, une quelconque concentration éventuelle de contraintes induite dans la région frontale 52 de la base de goujon 54 serait minime, voire tout à fait absente et tendrait à être relâchée par un fléchissement local dans le corps du trépan.
En outre, la traction dans la région frontale 52 est réduite puisque l'extrémité intérieure de la base du goujon 54 n'est pas retenue d'une manière propre à imposer des charges de flexion.
La Fig. 10 illustre le goujon 10 de la Fig. 9 avec une surface plate exposée dans la région frontale 52.
Ainsi, la région frontale 52 est parallèle à la découpe de dégagement 114 à proximité de la surface du corps de trépan 64. La région frontale 52 assure également un écoulement plus doux du fluide de forage sans perturbations du flux, obstruction des débris qui y affluent ou érosion d'une section en saillie au niveau de la région frontale 52.
La Fig. 11 illustre une variante de réalisation d'un goujon 10 dans laquelle la base du goujon 54 est de section transversale rectangulaire. L'étendue 62 du bord de coupe 58 au-dessus du corps de trépan 28 est à nouveau importante en raison de la découpe de dégagement 114. Ainsi, il s'ensuit une meilleure coupe en raison d'une évacuation améliorée des débris. En outre, étant donné que les contraintes maximales se situent au niveau de la fibre extérieure, la surface la plus éloignée de l'axe neutre d'une section, comme décrit plus haut, la région frontale 52 subit des contraintes réduites. C'est-à-dire que le rectangle est configuré pour présenter, lorsqu'il est mis en charge à partir de la direction de la région frontale 52, un moment d'inertie supérieur à celui d'un cylindre de
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section transversale identique.
En général, un carré possédant un côté égal au diamètre d'un cercle possède un moment d'inertie supérieur à celui du cercle. De même, un carré de superficie égale à celle d'un cercle possède un moment d'inertie supérieur. Ainsi, une conception appropriée de l'orientation et de la superficie d'une base de goujon rectangulaire 54 peut augmenter la rigidité avec une section transversale moindre. Par conséquent, le matériau et l'espacement peuvent être équivalents ou meilleurs que ceux d'une base de goujon cylindrique 54 tout en offrant une résistance accrue à la flexion. Bien que les arêtes avant 118 de la base de goujon 54 puissent bénéficier d'un arrondi afin d'empêcher une concentration inappropriée des contraintes à hauteur d'une arête vive, la conception globale réduit la contrainte maximale à hauteur de la région frontale critique 52.
En outre, les autres particularités visant à éliminer les contraintes de flexion et les concentrations de contraintes d'un joint à ajustement serré ou à compression décrit précédemment sont également représentées dans cette configuration. De même, les possibilités d'accès en vue d'enlever le goujon brasé 10 afin de réparer le trépan sont maximales dans cette configuration.
La Fig. 12 représente une configuration pour un goujon 10 qui n'exige pratiquement pas de contrefort 34.
Autrement dit, la crête 36 du goujon 10 est son propre contrefort s'étendant depuis l'interface de fixation 38 jusqu'au contrefort 34 en un profil reproduisant celui de la face de coupe 22 et de la couche de support 18. Bien qu'elle exige une forme assez complexe comme le montre la Fig. 12, la conception du goujon 10 dans cette configuration peut nécessiter une profondeur 122 légèrement moindre pour l'insertion du goujon 10 dans le corps de trépan 28 sous la surface du corps de trépan 64. La force de coupe 66 exercée sur la face de coupe 22 sera transférée directement le long du goujon 10, pratiquement sans effet de flexion, comme le
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révèle une analyse statique des trajets des charges connus de l'état de la technique. Ainsi, la tendance à l'arrachement de la base de goujon 54 du corps du trépan 28 est essentiellement éliminée.
En outre, la conception de la Fig. 12 présente des rainures 124 ménagées dans la base de goujon 54. Les rainures 124 fournissent une superficie accrue avec une orientation plus favorable pour le brasage.
Autrement dit, toute force qui tendrait à arracher le goujon 10 de la surface 64 du corps de trépan 28 est contrée par une brasure 126 plus importante sur les rainures 124 et cette brasure 126 est orientée plus favorablement comme le montre une analyse des contraintes connue de l'état de la technique pour une telle structure.
Les Fig. 13A, 13B et 13C illustrent un goujon 10 qui est essentiellement autoporté. Comme expliqué précédemment, une telle conception élimine la nécessité d'un contrefort 34 dans le corps de trépan 28. Une découpe de dégagement 114 telle qu'elle est illustrée aux Fig. 9 à 11 peut laisser la région frontale 52 ouverte pour un montage et un démontage aisés pendant une réparation. De même, un dégagement suffisant pour l'évacuation des débris à l'avant du goujon 10 serait disponible. Le profil frontal de la face de coupe 22 s'étend vers l'arrière, perpendiculairement sur la profondeur du goujon. La formation applique également des forces axialement par rapport au corps de trépan 28. Les contraintes sont en premier lieu compressives ; les forces que créent la flexion et les contraintes de traction associées dans le goujon 10 sont réduites.
Sur les Fig. 13B et 13C, la base de goujon 54 pourrait être effilée pour installer plusieurs goujons 10 dans la couronne d'un corps de trépan de diamètre inférieur 28. Un avantage par rapport aux configurations géométriques des Fig. 13A, 13B, 13C et 13E est que le goujon 10 peut être brasé, de telle sorte que la brasure soit soumise principalement aux seules contraintes de cisaillement et de compression, tandis que le goujon 10 peut être facilement enlevé en faisant fondre
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la brasure et en tapant sur le goujon 10 vers l'avant pour l'extraire de sa position dans le corps de trépan 28. La Fig. 13D montre comment les goujons des Fig. 13A-13C peuvent être mis en place en pratique pour donner une découpe de dégagement 114 maximale en vue d'obtenir un goujon 10 amovible, autoporté, totalement soutenu et effectuant une coupe nette.
Un goujon classique 128 est représenté en traits interrompus sur la Fig. 13D à titre de comparaison.
La Fig. 14 représente une variante du concept utilisant une section transversale elliptique ou ovale pour la base de goujon 54 du goujon 10. La crête 36 du goujon 10 s'abaisse à nouveau simplement vers la surface du corps de trépan 64 en direction de la région postérieure 56 du goujon 10. Cette configuration évite toute arête vive ou tout changement radical de section. De même, elle peut posséder une région frontale 52 qui affleure la découpe de dégagement 114 dans le corps de trépan 28. Plus important peut-être est le fait qu'elle offre un profil étroit, mais une base large dans la direction de la force sur le goujon 10, à savoir la direction du grand axe de l'ellipse.
La Fig. 15 représente une variante de moyen permettant de créer un goujon 10 à plusieurs couches. Le noyau interne 12, dans ce cas, est fait d'un matériau plus tenace possédant une ténacité élevée à la fracture intercalé entre des couches externes 14 d'un matériau plus dur résistant à l'abrasion. La face de coupe 22 fixée à sa couche de support 18 doit être fixée au goujon 10 de manière classique. La base de goujon 54 pourrait être d'une quelconque configuration parmi celles décrites plus haut.
De même, tout comme les goujons 10 des Fig. 3,4, 5A et 5B pourraient posséder plusieurs couches de matériaux aux propriétés échelonnées, le goujon 10 de la Fig. 15 pourrait être fait de plusieurs couches de matériaux alternativement tenaces et durs. Même sur la région frontale 52, la proximité immédiate des couches externes 14, qu'il s'agisse
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d'une couche individuelle ou de plusieurs couches intercalées, empêcherait l'abrasion et l'érosion de la région frontale 52. Entre-temps, la présence du matériau tenace dans le noyau interne 12, qu'il s'agisse d'une couche individuelle ou de plusieurs couches intercalées, assurerait une meilleure résistance à la charge dynamique et à la propagation des fissures.
Les Fig. 16 et 17 représentent une configuration possible dans laquelle le noyau interne 12 est de préférence cylindrique, la couche externe 14 constituant un autre cylindre décalé excentriquement par rapport au noyau interne
12. En variante, le noyau 12 pourrait avoir une section transversale semi-circulaire, réniforme ou elliptique, comme le dicte l'analyse de la mécanique de fracture. Le noyau interne 12 donne la ténacité, tandis que la couche externe
14 fournit la résistance à l'abrasion. Le noyau interne 12 peut en variante être fait d'un matériau plus dur tandis que la couche externe 14 plus volumineuse n'est pas aussi dure.
Ainsi, la résistance accrue à l'abrasion se situerait dans la région frontale 52, tandis que le support tenace généralisé se situerait dans la région postérieure 56.
Les Fig. 18 et 19 représentent une modification supplémentaire de la conception de la Fig. 15. Pour améliorer la résistance à la fracture sur la région frontale 52, un noyau interne tenace évasé 12 est large dans la région frontale 52 et aminci à l'approche de la région postérieure 56, flanqué par des couches externes dures 14.
La Fig. 20 représente une modification qui pourrait s'appliquer à l'une quelconque des conceptions 1 précitées ou à un élément porteur monolithique. Le goujon autoporté 10 présente, en outre, un rayon de découpe de dégagement 132 sur la découpe de dégagement 114 et sur la région frontale 52 de manière à former une courbure douce et importante afin de réduire les concentrations de contraintes et d'accélérer l'évacuation des débris.
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Les Fig. 21 à 26 illustrent d'autres configurations qui peuvent posséder des sections transversales de régions simples ou multiples. Les goujons 10 peuvent être brasés dans des corps de trépans 28, laissant la région frontale 52 de chaque goujon 10 exposée. En outre, sur la Fig. 23, une surface de siège 134 (hémisphérique dans la forme de réalisation représentée) est formée sur la base du goujon 54 afin de fixer le goujon dans la couronne du corps de trépan 28. De même, une forme entaillée pourrait être utilisée pour la surface de siège 134 sur la Fig. 24. Par ailleurs, les Fig. 25 et 26 représentent respectivement des surfaces de siège 134 conique et trapézoïdale. Une telle surface de siège 134 assure une orientation correcte pour un brasage rapide d'une base de goujon 54 dans la couronne d'un corps de trépan 28.
En outre, la surface de siège 134 fournit également un effet de coincement qui empêche le goujon 10 de changer de position sous les différentes charges directionnelles qui pourraient se développer en fonctionnement. Ainsi, la surface de siège 134 avec une cavité de configuration correspondante dans le corps de trépan 28 dans lequel les forces dues au forage entraînent la base du goujon 54 empêche un goujon 10 de se détacher de sa brasure dans le corps de trépan 28. Plus important encore est peut-être le fait que, la surface de siège 134, en particulier avec des configurations coniques ou rectangulaires du goujon, empêche le goujon 10 de basculer hors du corps de trépan 28 si la brasure se rompt en cisaillement sous la charge du moment en couple imposé par la formation au niveau du bord externe de la face de coupe 22.
Dans chaque cas illustré aux Fig. 21 à 26, la région frontale 52 peut être exposée en vue d'un accès aisé à la brasure ainsi que pour assurer un relâchement de contraintes, comme décrit plus haut.
Les Fig. 27 et 28 sont respectivement des vues en perspective de bases de goujon 54 de sections transversales
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cylindrique et rectangulaire conformément à l'invention.
Dans ces formes de réalisation, un goujon 10 en carbure de tungstène contenant du cobalt est pourvu de fils 136 noyés en un alliage de résistance élevée tel que le nickel, le béryllium, le cuivre, l'Inconel (marque déposée d'International Nickel Co., Inc. ) ou en un alliage approprié de tungstène ou d'acier. La forme de réalisation préférée utilise des fils. Néanmoins, en fonction du procédé de fabrication utilisé, les fils noyés 136 peuvent adéquatement être décrits comme des tiges ou des noyaux. Les fils noyés 136 s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal de la base de goujon 54. L'effet des fils noyés 136 est de précontraindre la matrice 138 de matériau plus dur en compression.
L'utilisation de couches externes individuelles ou multiples supplémentaires comme décrit plus haut peut également être mise en oeuvre dans cette configuration.
Le procédé de fabrication de la base de goujon 54 précontrainte peut comprendre le frittage d'un métal en poudre dans un moule ou un autre moyen de formage qui a été garni au préalable d'un arrangement de fils noyés 136.
Chaque fil possède de préférence un dessin sur sa face externe 140, au niveau de son diamètre externe, pour éviter un aspect excessivement lisse. La qualité normale de finition du fil peut suffire pour amener la surface externe 140 de fils noyés 136 à s'unir à la matrice 138.
Le frittage lie le métal en poudre, créant une matrice 138 autour des fils noyés 136. Sous l'effet de recuit de la chaleur, toute la base de goujon 54 atteint l'équilibre thermique dans un état exempt de contraintes. Les fils noyés 136 possèdent un coefficient de dilatation thermique nettement supérieur au carbure de tungstène contenant du cobalt de la matrice 136. Ainsi, lorsque la base de goujon 54 refroidit après sa fabrication, les fils noyés 136 ont tendance à se contracter davantage que la matrice 138, créant une traction dans les fils noyés 136 qui
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sont étirés et une compression correspondante dans la matrice 138. Les contraintes compressives dans la matrice 138 peuvent être de l'ordre de 85 000 livres par pouce carré (586 050 kPa) dans la réalisation préférée.
Les particularités de chaque forme de réalisation proposée peuvent généralement être combinées avec celles d'autres configurations cohérentes et ne sortent pas du cadre des revendications. De nombreuses additions, suppressions et modifications de l'invention telle qu'elle a été révélée et décrite en termes de formes de réalisation préférées peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention exposé dans les revendications annexées.